EP4130306A1 - Method for producing an alloy strip made of recycled aluminium, method for producing a slug made of recycled aluminium, and recycled aluminium alloy - Google Patents
Method for producing an alloy strip made of recycled aluminium, method for producing a slug made of recycled aluminium, and recycled aluminium alloy Download PDFInfo
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- EP4130306A1 EP4130306A1 EP21189626.1A EP21189626A EP4130306A1 EP 4130306 A1 EP4130306 A1 EP 4130306A1 EP 21189626 A EP21189626 A EP 21189626A EP 4130306 A1 EP4130306 A1 EP 4130306A1
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
- C22C1/026—Alloys based on aluminium
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
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- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
Definitions
- the present invention relates to a method for producing an alloy strip with a recycled aluminum content of up to 100%.
- the recycled aluminum is "post consumer recycled” (PCR) aluminum (according to DIN EN ISO 14021:2016).
- PCR post consumer recycled aluminum
- the alloy strip produced with a proportion of recycled aluminum is suitable for the production of slugs.
- a " slug” is a base material for the packaging industry, which is processed into tubes, cans (e.g. aerosol cans), bottles, but also a base material for the accessories industry, which is used for electronic housings, fuel filter housings, capacitor cups, heat sinks and the like is processed, and consists mainly of aluminum (according to DIN EN 570:2007). Slugs are manufactured in the desired shape, wall thickness and strength by strip casting and stamping. The further processing into cans, tubes, bottles, etc. takes place from slugs by cold extrusion. In most cases, slugs are stamped from pure aluminum or sawn from rods, but aluminum alloys with other alloying elements such as silicon and magnesium are sometimes also used (see Literature-1).
- packaging slugs are divided into “ packaging slugs " and " technical slugs ".
- Packaging slugs for tubes and cans are made exclusively from certain aluminum alloys (alloys of the 1000 and 3000 standards, eg EN AW 1050, EN AW 1070, EN AW 3102 and EN AW 3207) by strip casting and stamping.
- Technical slugs for, for example, electronics housings, fuel filter housings, condenser cups and heat sinks can be made from a wide variety of alloys (including alloys of the 1000, 3000 and 6000 standards).
- alloys with an aluminum content of at least 99.5% (EN AW 1050) or with an aluminum content of at least 99.7% (EN AW 1070) are mainly used (according to European standard EN 573-3).
- Materials of this type can easily be formed by extrusion and experience an increase in strength through cold forming during an extrusion process. Due to these advantageous properties, these alloys cover the majority of the total requirement in the area of packaging slugs and partly also in the area of technical slugs.
- alloy slugs made from aluminum alloys with a manganese content of 0.2% (EN AW 3102) or with a manganese content of 0.6% (EN AW 3207). Alloys of this type have a significantly higher basic hardness and are therefore more likely to be used for more special products that have to withstand higher internal pressure. Due to the higher strength of these alloys, thinner wall thicknesses can be achieved in aerosol cans and housings for technical applications.
- the alloys are first produced in strips, which serve as the starting material for the production of slugs, for example.
- a typical process flow in the production of cast strip includes charging a furnace with feedstock, melting the material, alloying the melt, treating the melt, casting as strip, hot rolling the strip, cold rolling the strip, and coiling the strip.
- Additional process sequences in the production of slugs from cast strip include stamping the slugs from an uncoiled strip, soft annealing the slugs, treating the surface of the slugs (e.g., blasting, scouring, tumbling, barrel finishing, etc.), packing the slugs, and finally storing the slugs.
- recycling material can be added to the manufacturing process.
- a return material that can be added during the production of an alloy can be divided into two types.
- Waste before use or " Post Industrial Recycled” (abbreviation: PIR).
- PIR Post Industrial Recycled
- This term includes, for example, pressed screens from slug production with primary aluminum as the starting material.
- the PCR mainly involves contaminated waste or scrap to which organic substances (e.g. oil, paint, residues from the filling, etc.) adhere.
- organic substances e.g. oil, paint, residues from the filling, etc.
- Processing without pre-treatment is only possible if a melting furnace with the appropriate technology is used. Without using a furnace, a rework step is necessary. Contaminated scrap is remelted in a facility with the appropriate technology. Through the remelting Ingots are formed (so-called "sows "), which can then be used in the melting furnace of the rotary casting plant without any problems.
- PCR aluminum has hardly been processed as a recycle material.
- alloys are mainly manufactured from PIR aluminum due to the following advantages over the use of PCR aluminum.
- Pure alloys such as EN AW 1050 and EN AW 1070 have a similar chemical composition and can also be mixed if necessary, which results in simple logistics.
- primary aluminum is used as the basis and alloyed with appropriate master alloys.
- primary aluminum and an AlMn master alloy are used to achieve the EN AW 3102 alloy.
- PIR aluminum is used as a return material
- the mixture of input materials consists of Primary aluminum and a master alloy (e.g. AlMn to obtain the EN AW 3102 alloy) and, for example, pressed screens made from the same alloy (from a previous production).
- EN AW 1050 and EN AW 1070 for example, a typical ratio of 60 to 70% primary aluminum (e.g. ingots of quality P1020 according to the DIN EN 576 standard) to 30 to 40% secondary aluminum (PIR Process scrap, e.g. stamped grid scrap from slug production, each made of the same alloy) is used.
- primary aluminum e.g. ingots of quality P1020 according to the DIN EN 576 standard
- secondary aluminum PIR Process scrap, e.g. stamped grid scrap from slug production, each made of the same alloy
- the alloys EN AW 3102 and EN AW 3207 for example, a typical ratio of 60 to 70% primary aluminum (e.g. ingots in quality P1020 according to the DIN EN 576 standard) to 30 to 40% secondary aluminum (master alloys for alloys and PIR process scrap, e.g. lead frame scrap from slug production, each made from the same alloy).
- primary aluminum e.g. ingots in quality P1020 according to the DIN EN 576 standard
- secondary aluminum master alloys for alloys and PIR process scrap, e.g. lead frame scrap from slug production, each made from the same alloy.
- Literature-2 ( EP 3 144 403 B1 ) discloses prior art aluminum alloys made by blending 10 to 60% PIR aluminum alloys (grades: 3105, 3004, 3003, 3103, or 3104) with 40 to 90% pure aluminum (grades 1070 and 1050).
- the input material for the production of aluminum alloys largely determines the level of CO 2 emissions.
- the primary metal production from bauxite is very energy-intensive due to the electrolysis and therefore causes a high CO 2 load.
- the CO 2 load when using primary metal is therefore significantly higher than when using recycled material.
- the CO 2 pollution in Europe in relation to produced primary aluminum is 6.7 kg(CO 2 )/kg(Al) and primary aluminum used is 8.7 kg(CO 2 )/kg(Al).
- the CO 2 load from the use of primary aluminum is as high as 18 kg(CO 2 )/kg(Al) (see Table 1, Literature-3).
- CO 2 pollution PRIMARY ALUMINUM [kg(CO 2 )/kg(Al)] primary aluminum used (worldwide) 18 Primary aluminum produced (Europe-wide) 6.7 primary aluminum used (across Europe) 8.7 SECONDARY ALUMINUM Collecting, cleaning, sorting and transporting (throughout Germany) 0.625 possibly reworking the cycle material with organic adhesions; Conversion companies, certified according to ASI (Aluminum Stewardship Initiative)) 0.35
- the CO 2 load of a starting material that is charged, for example, in a melting/casting furnace of a strip caster is approx. 0.625 kg(CO 2 )/kg(Al) in the case of direct use and in the case of an additionally processed material approx. 0.975 kg(CO 2 )/kg(Al).
- packaging slugs which are used, for example, as a starting material for the production of cans and tubes
- technical slugs which are used, for example, for the production of housings (e.g. fuel filter housings in cars) or similar
- housings e.g. fuel filter housings in cars
- pure aluminum alloys according to EN AW 1050A and EN AW 1070A
- Such pure alloys can be produced without any problems using ingots and/or single-variety scrap, for example stamped skeletons.
- a typical manufacturing process uses 60% primary aluminum and 40% lead frame.
- the lower the alloy content (approx. max. 0.5% total), the easier it is to set the standardized chemical composition through the use of primary aluminum.
- the material can be formed more easily and the required forming force is therefore lower. This has a positive effect on tool wear.
- the present method was invented in order to use the most sustainable possible material cycles in production and to produce products which are essentially produced from secondary material with minimal CO 2 emissions.
- the present invention solves the above problem and contributes to sustainability by using up to 100% of recyclable material types (secondary aluminium).
- the present invention advantageously uses types of cycle material that are currently sufficiently available on the market, since they occur as a result of the process and are therefore inevitable or have a short useful life.
- the present invention enables the use of different types of circuit material in different proportions with a wide tolerance (in terms of weight %).
- Alloying elements and in particular the specific manganese content of the alloy according to the invention lead to an increase in strength, which enables new possibilities in the design of the wall thicknesses (in particular a lower wall thickness), and as a result of which considerable savings potential in the use of materials in the impact extrusion process and ultimately lighter end products (e.g. low empty can weight) can be achieved .
- a method of making alloy strip from recycled aluminum or PCR aluminum provided, wherein no alloying elements are added and the method comprises the following steps.
- the composition of individual batches of the starting materials consisting of aluminum such as ingots ( “primary aluminum ”) and aluminum cycle materials such as scrap before use (PIR) e.g. stamped skeleton and scrap after use (PCR) such as wire scrap or sows from various types of scrap, to achieve an alloy with the desired composition (“ RAW-C”,”Recycled Aluminum Wutöschingen-Container ").
- PIR scrap before use
- PCR scrap after use
- wire scrap or sows from various types of scrap to achieve an alloy with the desired composition
- RAW-C Scrap before use
- PCR scrap after use
- the determination is based on a theoretical calculation of the chemical composition of the target alloy, with a mixing ratio being determined on the basis of the respective chemical compositions of the individual input material types used, in particular scrap types such as beverage cans, off-set sheet metal or wire scrap.
- PCR aluminum which is used in the production of an alloy, can be obtained in the form of sows as starting material from reworking foundries.
- a starting material can consist of 40% beverage cans and 60% off-set sheet metal, but separate remelting is also possible, so that the starting material in the form of sows consists of 100% beverage cans or 100% off-set sheet metal.
- a strip casting line with the batches of the starting materials according to the previous step according to the shape of the starting material or input material first, small-sized scraps such as stamping skeleton or cube-shaped wire scrap, and then the large-sized scraps such as sows (about 800kg/pc) ) loaded.
- a system can, for example consist of a separate melting furnace and a downstream casting furnace, or of a combined melting/casting furnace.
- the mixture is then melted in the furnace.
- the energy can be supplied, for example, by a burner on the furnace roof.
- the ceiling temperature before loading may have a temperature in a range of 700°C to 1000°C, preferably in a range of 800°C to 900°C, more preferably in a range of 820°C to 870°C, and in particular has preferably a temperature of 850 °C.
- the ceiling temperature during melting may have a temperature in a range of 800°C to 1000°C, preferably in a range of 900°C to 1000°C, and more preferably in a range of 950°C to 1000°C a temperature of 990° C. is particularly preferred.
- the resulting melt is treated and cleaned, for example, by salt, standing and purge gas treatments to bind non-metallic impurities such as oxides.
- Molten aluminum is cleaned by ceramic filters on the way to the casting plant.
- melt sample a first sample taken after the furnace is fully charged (melt sample) and a second sample taken before pouring (release sample).
- the ceiling temperature during casting may be a temperature in a range of 600°C to 900°C, preferably a temperature in a range of 700°C to 800°C, and more preferably a temperature in a range of 700°C to 750°C have, and particularly preferably has a temperature of 720 ° C, the temperature of the metal, depending on the alloy, a temperature in a range from 700 ° C to 800 ° C, preferably a temperature in a range from 710 ° C to 740°C; and more preferably has a temperature of 730°C.
- the casting temperature depends on the material and is usually above 660 °C.
- the Casting temperature may have a temperature in a range from 660°C to 900°C, preferably in a range from 660°C to 800°C, more preferably in a range between 690°C and 750°C, and most preferably has a temperature of 730 °C.
- the liquid mixture is preferably cast into a tape by rotary casting. Casting takes place continuously via a casting wheel.
- a casting wheel can be made of steel or copper, for example, and have a diameter of 1000 to 1800 mm.
- the temperature of the strip emerging from the plant depends, inter alia, on the strip cross-section and the type of casting wheel, and can be a temperature in a range from 400 °C to 600 °C, preferably a temperature in a range from 450 °C to 550 °C, more preferably a temperature in a range from 470°C to 530°C, and particularly preferably has a temperature of 500°C.
- a strip with a thickness of 16 to 32 mm, for example, is formed from liquid aluminum in the casting gap between the casting strip and the casting wheel.
- the recrystallization temperature depends on the material, and thus a temperature during hot rolling can be in a range of 300°C to 600°C, preferably a temperature in a range of 320°C to 500°C, more preferably a temperature in a range of 370° C to 470 °C can be selected.
- a temperature of 440° C. is particularly preferably selected during hot rolling. This step reduces the initial thickness by 25% to 50%.
- the strip After hot rolling, the strip must be cooled to a maximum of 50°C, more preferably to a temperature not higher than 40°C, and most preferably to a temperature not higher than 30°C, by suitable cooling.
- the cooling gradient is preferably between 800° C. and 1200° C./min, more preferably between 850° C. and 1150° C., particularly preferably between 900° C. and 1100° C.
- a thickness of between 5 mm and 12 mm is achieved, for example.
- a method of producing a recycled aluminum or PCR aluminum slug, wherein no alloying elements are added separately comprising the steps of the first aspect described above and the steps below.
- added separately in this context means that, apart from the types of aluminum pre-material used, which already have alloying elements, no elementary elements of the Al alloy are added.
- the types of primary material used have a total alloy content of approx. 2% to 3%. Since the primary material types bring sufficient alloying elements into the melt, additional alloying by adding alloying elements is not necessary.
- the slugs are produced by stamping the cast strip produced using a suitable stamping tool.
- the slugs are heat treated to remove work hardening caused by rolling and stamping.
- a temperature in a range of 400 °C to 600 °C preferably a temperature in a range of 420 °C to 580 °C, more preferably a temperature in a range of 450 °C to 550 °C can be selected, and most preferably the temperature is 520°C.
- the slug surface is roughened, for example by blasting, scouring and tumbling, in order to enable the slugs to absorb sufficient lubricant for the cold extrusion process.
- a "RAW" alloy produced by the method according to the first or second aspect.
- This alloy has the following composition: Si: 0.05 to 0.40% by weight, Fe: 0.20 to 0.60% by weight, Cu: 0.03 to 0.20% by weight, Mn: 0.16 to 0.50% by weight, Mg: 0.03 to 0.20% by weight, Cr: 0.01 to 0.03% by weight, Zn: 0.01 to 0.06% by weight, Ti: 0.01 to 0.03% by weight, Zr: ⁇ 0.03% by weight, Pb: ⁇ 0.005% by weight, Al: Rest.
- an alloy "RAW-C25" according to the third aspect.
- This alloy has the following composition: Si: 0.05 to 0.12% by weight, Fe: 0.20 to 0.30% by weight, Cu: 0.03 to 0.07% by weight, Mn: 0.16 to 0.22% by weight, Mg: 0.03 to 0.07% by weight, Cr 0.005 to 0.03% by weight, Zn 0.01 to 0.04% by weight, Ti 0.005 to 0.03 wt%, Zr: ⁇ 0.03% by weight, Pb: ⁇ 0.005% by weight, and Al: balance.
- a specific alloy "RAW-C25" according to the fourth aspect.
- This alloy has the following composition: Si: 0.12% by weight, Fe: 0.24% by weight, Cu: 0.05% by weight, Mn: 0.21% by weight, Mg: 0.06% by weight, Cr: 0.005% by weight, Zn: 0.0325% by weight, Ti: 0.01% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.0005% by weight, Al: Rest.
- an alloy "RAW-C50" according to the third aspect.
- This alloy has the following composition: Si: 0.10 to 0.20% by weight, Fe: 0.28 to 0.40% by weight, Cu: 0.05 to 0.10% by weight, Mn: 0.20 to 0.30% by weight, Mg: 0.05 to 0.10% by weight, Cr: 0.005 to 0.03% by weight, Zn: 0.01 to 0.05% by weight, Ti: 0.005 to 0.03% by weight, Zr: ⁇ 0.03% by weight, Pb: ⁇ 0.005% by weight, and Al: balance.
- a specific alloy "RAW-C50" according to the sixth aspect.
- This alloy has the following composition: Si: 0.14% by weight, Fe: 0.32% by weight, Cu: 0.07% by weight, Mn: 0.30% by weight, Mg: 0.10% by weight, Cr: 0.01% by weight, Zn: 0.03% by weight, Ti: 0.01% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.001% by weight, Al: Rest.
- an alloy "RAW-C95" according to the third aspect.
- This alloy has the following composition: Si: 0.15 to 0.40% by weight, Fe: 0.35 to 0.60% by weight, Cu: 0.10 to 0.20% by weight, Mn: 0.25 to 0.50% by weight, Mg: 0.08 to 0.20% by weight, Cr: 0.005 to 0.03% by weight, Zn: 0.01 to 0.06% by weight, Ti: 0.01 to 0.03% by weight, Zr: ⁇ 0.03% by weight, Pb: ⁇ 0.005% by weight, and Al: balance.
- a specific alloy "RAW-C95" according to the eighth aspect.
- This alloy has the following composition: Si: 0.16% by weight, Fe: 0.45% by weight, Cu: 0.10% by weight, Mn: 0.43% by weight, Mg: 0.15% by weight, Cr: 0.01% by weight, Zn: 0.03% by weight, Ti: 0.02% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.002% by weight, Al: Rest.
- PCR aluminum is used to produce an alloy according to any aspect of the third to ninth aspects produced by the method according to the first or second aspect.
- PCR aluminum includes aluminum scrap, and/or used beverage cans, and/or sorting scrap containing aluminum, and/or offset sheet metal, and/or wire and cable scrap, and/or profile scrap, and/or reworked aluminum dross your own melt.
- the proportion of the PCR aluminum according to the tenth aspect is between 10% and 100%, between 20% and 100%, between 30% and 100%, between 40% and 100%, between 50% and 100%, between 60% and 100%, between 70% and 100%, between 80% and 100%, between 90% and 100%, or between 95% and 100%.
- the present method was invented in order to use the most sustainable possible material cycles in production and to produce products which are essentially produced from secondary material with minimal CO 2 emissions.
- the method and the alloys produced thereby have advantageous effects in that a proportion of up to 100% of the PCR aluminum can be used and good availability for the continuous supply of the recycle types the market exists.
- the alloys of the present invention result in higher strength in the case of thin-walled housings and variable, good formability in the cold forging process, as a result of which tool wear during stamping remains within an economically justifiable range.
- the average material flow consists of ingots (quality: P1020) and stamped skeleton (according to EN AW 1050A and EN AW 1070A), with the stamped skeleton going to the furnace after the stamping process is supplied again during charging ("charging") (see Fig. 1).
- the general chemical composition of mainly used aluminum alloys EN AW 1050A, EN AW 1070A, and EN AW 3102 is as follows: - Aluminum alloy according to EN AW 1050A: Si: ⁇ 0.25% by weight, Fe: ⁇ 0.40% by weight, Cu: ⁇ 0.05% by weight, Mn: ⁇ 0.05% by weight, Zn: ⁇ 0.07% by weight, Ti: ⁇ 0.05% by weight, and Al: balance.
- - Aluminum alloy according to EN AW 1070A Si: ⁇ 0.20% by weight, Fe: ⁇ 0.25% by weight, Cu: ⁇ 0.03% by weight, Mn: ⁇ 0.03% by weight, Zn: ⁇ 0.07% by weight, Ti: ⁇ 0.05% by weight, and Al: balance.
- - Aluminum alloy according to EN AW 3102 Si: ⁇ 0.40% by weight, Fe: ⁇ 0.70% by weight, Cu: ⁇ 0.10% by weight, Mn: 0.05 to 0.40% by weight, Zn: ⁇ 0.03% by weight, Ti: ⁇ 0.10 wt%, and Al: balance.
- a typical chemical composition of EN AW 1050A alloy is: Si: 0.079% by weight, Fe: 0.258% by weight, Cu: 0.001% by weight, Mn: 0.001% by weight, Mg: 0.001% by weight; Zn: 0.005% by weight; Ti: 0.011% by weight, Cr: 0.001% by weight; Zr: 0.002% by weight; Pb: 0.002% by weight; and Al: 99.62% by weight
- a typical chemical composition of EN AW 1070A alloy is: Si: 0.048% by weight, Fe: 0.161% by weight, Cu: 0.001% by weight, Mn: 0.001% by weight, Mg: 0.001% by weight, Zn: 0.003% by weight, Ti: 0.015% by weight, Cr: 0.001% by weight, Zr: 0.001% by weight, Pb: 0.002% by weight, and Al: 99.74% by weight
- a typical chemical composition of alloy EN AW 3102 is: Si: 0.058% by weight, Fe: 0.180% by weight, Cu: 0.001% by weight, Mn: 0.245% by weight, Mg: 0.000% by weight, Zn: 0.007% by weight, Ti: 0.013% by weight, Cr: 0.001% by weight, Zr: 0.001% by weight, Pb: 0.002% by weight, and Al: 99.47% by weight
- an average material flow consists of stamped skeleton, scrap beverage cans, offset sheet metal and other types of scrap, with the stamped skeleton being returned to the furnace during charging ("charging") after the stamping process. It is particularly advantageous that the production method according to the invention can be used to produce an aluminum alloy which consists of up to 100% recycled material (see FIG. 2).
- mixed, old beverage cans (according to EN 13920-10) and mixed stamped scrap from EN AW 1050A and 1070A (according to EN 13920-2) are supplied as circulating materials.
- RAW-C-II a material flow of the second embodiment
- mixed, old beverage cans accordinging to EN 13920-10
- offset sheet metal accordinging to EN 13920-2
- wire and cable scrap accordinging to EN 13920- 3
- mixed lead frame scrap from EN AW 1050A and 1070A accordinging to EN 13920-2 fed in as circulating materials.
- the chemical composition of the alloy produced by this material flow according to the first embodiment is outside the composition according to the EN 573-3 standard.
- the chemical composition of an alloy resulting from the material flow of the first embodiment is as follows (determined by optical emission spectroscopy or by means of a spark spectrometer): Si: 0.203% by weight, Fe: 0.320% by weight, Cu: 0.067% by weight, Mn: 0.344% by weight, Mg: 0.081% by weight, Zn: 0.020% by weight, Ti: 0.02% by weight, Cr: 0.011% by weight, Zr: 0.002% by weight, Pb: 0.002% by weight, and Al: 98.89% by weight.
- RAW-C-II The chemical composition of an alloy resulting from the material flow of the second embodiment
- Si 0.187% by weight
- Fe 0.479% by weight
- Cu 0.102% by weight
- Mn 0.414% by weight
- Mg 0.076% by weight
- Zn 0.057% by weight
- Ti 0.02% by weight
- Cr 0.011% by weight
- Zr 0.003% by weight
- Pb 0.003% by weight
- Al 98.61% by weight.
- Table 2 shows the mechanical properties of slugs produced from the above starting materials under the same conditions.
- Table 2 Comparison of the mechanical properties of the alloys from the material flows of the first and second embodiment (RAW-CI and RAW-C-II) with the base alloys EN AW 1050A and 1070A and 3102, where Rp0.2 is the yield strength and Rm is the tensile strength (Tensile test according to DIN EN ISO 6892 and hardness test according to DIN EN ISO 6506).
- the results shown in Table 2 show that the hardness of the slugs in the annealed condition in the case of the first embodiment heats (RAW-CI) compared to EN AW 1050A decreased by 23% and 35% respectively compared to EN AW 10170A 35% and 50% higher, respectively, and compared to EN AW 3102 is 17% and 23% higher, respectively.
- the yield strength of the RAW-CI alloy is at least 10 MPa or 19% higher and the yield strength at least 23 MPa or 31% higher than the typical values of the base alloys.
- the results of Table 2 show that the hardness of the slugs in the annealed condition in the case of the heats of the second embodiment (RAW-C-II) compared to EN AW 1050A by 59 and 75% respectively, compared to EN AW 1070A 75 and 94% higher, and compared to EN AW 3102 is 52 and 59% higher.
- the yield strength of the RAW-C-II alloy is at least 15 MPa or 29% higher and the yield strength at least 31 MPa or 41% higher than the typical values of the base alloys.
- the wall thicknesses of cans can be reduced by the alloys of the present invention.
- a lower wall thickness brings the advantage of weight savings, which leads to a reduction in CO 2 during transport. Less CO 2 is already emitted during the production of the primary material due to a reduced use of material, which is a further significant advantage of the present invention with regard to environmental pollution.
- the increased strength of RAW-C alloys is due to the higher Mn content, which has a recrystallization-inhibiting effect. Since the content of the strength-enhancing alloying element Mn in old beverage cans is 0.8 wt% to 1.0 wt%, those according to the invention have a higher Mn content than alloys of standards EN AW 1050 and EN AW 1070, and even partially has a higher Mn content than the EN AW 3102 alloy, which has a Mn content of approx. 0.3% by weight.)
- the chemical composition results from the proportions of different types of cycle material and their chemical composition.
- the availability of a recycle material depends on the production volume, the useful life, and the return rate in the material cycle.
- the mechanical properties of the alloy depend primarily on the chemical composition.
- the limits of individual alloying elements are selected in such a way that a composition suitable for the respective application can be selected in accordance with the requirements for mechanical properties.
- an alloy of the present invention has the chemical composition: Si: 0.05 to 0.40% by weight, Fe: 0.20 to 0.60% by weight, Cu: 0.03 to 0.20% by weight, Mn: 0.16 to 0.50% by weight, Mg: 0.03 to 0.20% by weight, Cr 0.01 to 0.03% by weight, Zn 0.01 to 0.06% by weight, Ti 0.01 to 0.03% by weight, Zr: ⁇ 0.03% by weight, Pb: ⁇ 0.005% by weight, and Al: Rest.
- an alloy of the first embodiment (“RAW-C25”) has a post-anneal hardness of 24+3 HB and the following composition: Si: 0.05 to 0.12% by weight, Fe: 0.20 to 0.30% by weight, Cu: 0.03 to 0.07% by weight, Mn: 0.16 to 0.22% by weight, Mg: 0.03 to 0.07% by weight, Cr 0.005 to 0.03% by weight, Zn 0.01 to 0.04% by weight, Ti 0.005 to 0.03 wt%, Zr: ⁇ 0.03% by weight, Pb: ⁇ 0.005% by weight, and Al: balance.
- a specific example of an alloy of the first embodiment (“RAW-C25”) has the following composition of starting materials: - 75% ingots (P1020A according to DIN EN 576) with the composition: Si: 0.08% by weight, Fe: 0.15% by weight, Cu: 0.00% by weight, Mn: 0.00% by weight, Mg: 0.00% by weight, Cr: 0.00% by weight, Zn: 0.03% by weight, Ti: 0.00% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.00% by weight, and Al: remainder; and - 25% beverage can scrap with the composition: Si: 0.24% by weight, Fe: 0.52% by weight, Cu: 0.19% by weight, Mn: 0.84% by weight, Mg: 0.32% by weight, Cr: 0.02% by weight, Zn: 0.04% by weight, Ti: 0.02% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.002% by weight, and Al: rest.
- the alloy of the first embodiment (“RAW-C25”) resulting from this specific composition has the following composition (determined by optical emission spectroscopy): Si: 0.12% by weight, Fe: 0.24% by weight, Cu: 0.05% by weight, Mn: 0.21% by weight, Mg: 0.06% by weight (taking into account the burn-up), Cr: 0.005% by weight, Zn: 0.0325% by weight, Ti: 0.01% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.0005% by weight, and Al: rest.
- an alloy of the second embodiment has a hardness of 28+2 HB and the following composition: Si: 0.10 to 0.20% by weight, Fe: 0.28 to 0.40% by weight, Cu: 0.05 to 0.10% by weight, Mn: 0.20 to 0.30% by weight, Mg: 0.05 to 0.10% by weight, Cr: 0.005 to 0.03% by weight, Zn: 0.01 to 0.05% by weight, Ti: 0.005 to 0.03% by weight, Zr: ⁇ 0.03% by weight, Pb: ⁇ 0.005% by weight, and Al: rest.
- a specific example of an alloy of the second embodiment (“RAW-C50”) has the following composition of starting materials: - 50% ingots (P1020A according to DIN EN 576) with the composition: Si: 0.08% by weight, Fe: 0.15% by weight, Cu: 0.00% by weight, Mn: 0.00% by weight, Mg: 0.00% by weight, Cr: 0.00% by weight, Zn: 0.03% by weight, Ti: 0.00% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.00% by weight, and Al: remainder; - 35% beverage can scrap with the composition: Si: 0.24% by weight, Fe: 0.52% by weight, Cu: 0.19% by weight, Mn: 0.84% by weight, Mg: 0.32% by weight, Cr: 0.02% by weight, Zn: 0.04% by weight, Ti: 0.02% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.002% by weight, and Al: remainder; and - 15% off-set sheets with the composition Si: 0.08%
- the alloy of the second embodiment (“RAW-C50”) resulting from this specific composition has the following composition (determined by optical emission spectroscopy): Si: 0.14% by weight, Fe: 0.32% by weight, Cu: 0.07% by weight, Mn: 0.30% by weight, Mg: 0.10% by weight (taking into account the burn-up), Cr: 0.01% by weight, Zn: 0.03% by weight, Ti: 0.01% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.001% by weight, and Al: rest.
- an alloy of the third embodiment (“RAW-C95”) has a hardness of 32+4 HB and the following composition: Si: 0.15 to 0.40% by weight, Fe: 0.35 to 0.60% by weight, Cu: 0.10 to 0.20% by weight, Mn: 0.25 to 0.50% by weight, Mg: 0.08 to 0.20% by weight, Cr: 0.005 to 0.03% by weight, Zn: 0.01 to 0.06% by weight, Ti: 0.01 to 0.03% by weight, Zr: ⁇ 0.03% by weight, Pb: ⁇ 0.005% by weight, and Al: balance.
- a specific example of an alloy of the third embodiment (“RAW-C95”) has the following composition of starting materials (composition: 95% recycle and 5% primary metal): - 5% ingots (P1020A according to DIN EN 576) with the composition: Si: 0.08% by weight, Fe: 0.15% by weight, Cu: 0.00% by weight, Mn: 0.00% by weight, Mg: 0.00% by weight, Cr: 0.00% by weight, Zn: 0.03% by weight, Ti 0.00% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.00% by weight, and Al: remainder; - 50% beverage can scrap with the composition: Si: 0.24% by weight, Fe: 0.52% by weight, Cu: 0.19% by weight, Mn: 0.84% by weight, Mg: 0.32% by weight, Cr: 0.02% by weight, Zn: 0.04% by weight, Ti: 0.02% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.002% by weight, and Al: remainder; - 35%
- the alloy of the third embodiment (“RAW-C95”) resulting from this specific composition has the following composition (determined by optical emission spectroscopy): Si: 0.16% by weight, Fe: 0.45% by weight, Cu: 0.10% by weight, Mn: 0.43% by weight, Mg: 0.15% by weight (taking into account the burn-up), Cr: 0.01% by weight, Zn: 0.03% by weight, Ti: 0.02% by weight, Zr: 0.00% by weight, Pb: 0.002% by weight, and Al: rest.
- the alloys of the present invention offer the advantage of higher strength compared to the prior art. Due to the possibility of low wall thicknesses or higher possible internal pressures with the same wall thickness and the associated lower use of materials, considerable savings can be achieved in production and ultimately in the end products.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Legierungsbandes aus recyceltem Aluminium bereit, in welchem bis zu 100 % PCR-Aluminium als Sekundäraluminium eingesetzt werden kann, wodurch eine CO<sub>2</sub>-Einsparung von mindestens 89 % im Vergleich zum Einsatz von Primäraluminium erreicht und somit ein wichtiger Beitrag zur Nachhaltigkeit geleistet werden kann. Ferner stellt die vorliegende Erfindung eine Legierung aus recyceltem Aluminium bereit, welche eine höhere Festigkeit im Vergleich zum Stand der Technik aufweist, wodurch geringere Wanddicken ermöglicht und somit erhebliche Einsparungen hinsichtlich Material und Kosten durch leichtere Endprodukte erreicht werden können.The present invention provides a method for producing alloy strip from recycled aluminum in which up to 100% PCR aluminum can be used as secondary aluminum, resulting in a CO<sub>2</sub> saving of at least 89% compared to Use of primary aluminum is achieved and thus an important contribution to sustainability can be made. Furthermore, the present invention provides an alloy of recycled aluminum which has higher strength compared to the prior art, thereby enabling reduced wall thicknesses and thus significant savings in material and costs can be achieved through lighter end products.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Legierungsbandes mit einem Anteil aus recyceltem Aluminium von bis zu 100 %. Insbesondere handelt es sich bei dem recycelten Aluminium um "post consumer recycled" (PCR) Aluminium (gemäß DIN EN ISO 14021:2016). Das hergestellte Legierungsband mit einem Anteil aus recyceltem Aluminium eignet sich zur Herstellung von Butzen.The present invention relates to a method for producing an alloy strip with a recycled aluminum content of up to 100%. In particular, the recycled aluminum is "post consumer recycled" (PCR) aluminum (according to DIN EN ISO 14021:2016). The alloy strip produced with a proportion of recycled aluminum is suitable for the production of slugs.
Ein "Butzen" (englisch "slug") ist ein Basismaterial für die Verpackungsindustrie, welches zu Tuben, Dosen (z.B. Spraydosen), Flaschen verarbeitet wird, aber auch ein Basismaterial für die Zubehörindustrie, welches zu Elektronikgehäusen, Kraftstoff-Filtergehäusen, Kondensatorenbechern, Kühlkörpern und ähnlichem verarbeitet wird, und vorwiegend aus Aluminium (gemäß DIN EN 570:2007) besteht. Butzen werden durch Bandgießen und Stanzen in gewünschter Form, Wanddicke und Festigkeit hergestellt. Die Weiterverarbeitung zu Dosen, Tuben, Flaschen usw. erfolgt aus Butzen durch Kaltfließpressen. Meist werden Butzen in Reinaluminium gestanzt oder aus Stangen gesägt, zum Teil werden aber auch Aluminiumlegierungen mit weiteren Legierungselementen wie Silizium und Magnesium eingesetzt (siehe Literatur-1).A " slug " is a base material for the packaging industry, which is processed into tubes, cans (e.g. aerosol cans), bottles, but also a base material for the accessories industry, which is used for electronic housings, fuel filter housings, capacitor cups, heat sinks and the like is processed, and consists mainly of aluminum (according to DIN EN 570:2007). Slugs are manufactured in the desired shape, wall thickness and strength by strip casting and stamping. The further processing into cans, tubes, bottles, etc. takes place from slugs by cold extrusion. In most cases, slugs are stamped from pure aluminum or sawn from rods, but aluminum alloys with other alloying elements such as silicon and magnesium are sometimes also used (see Literature-1).
Je nach Anwendungsgebiet werden Butzen in "Verpackungsbutzen" und "technische Butzen" eingeteilt. Verpackungsbutzen für beispielsweise Tuben und Dosen werden ausschließlich aus bestimmten Aluminiumlegierungen (Legierungen der 1000er und 3000er Norm, z.B. EN AW 1050, EN AW 1070, EN AW 3102, und EN AW 3207) durch Bandgießen und Stanzen hergestellt. Technische Butzen für beispielsweise Elektronikgehäuse, Kraftstoff-Filtergehäuse, Kondensatorenbecher und Kühlkörper können aus verschiedensten Legierungen (u.a. Legierungen der 1000er, 3000er und 6000er Norm) hergestellt werden.Depending on the area of application, slugs are divided into " packaging slugs " and " technical slugs ". Packaging slugs for tubes and cans, for example, are made exclusively from certain aluminum alloys (alloys of the 1000 and 3000 standards, eg EN AW 1050, EN AW 1070, EN AW 3102 and EN AW 3207) by strip casting and stamping. Technical slugs for, for example, electronics housings, fuel filter housings, condenser cups and heat sinks can be made from a wide variety of alloys (including alloys of the 1000, 3000 and 6000 standards).
Bei der Verwendung von Reinaluminium, werden hauptsächlich Legierungen mit einem Aluminiumgehalt von mindestens 99,5 % (EN AW 1050) oder mit einem Aluminiumgehalt von mindestens 99,7 % (EN AW 1070) eingesetzt (gemäß europäischer Norm EN 573-3). Derartige Werkstoffe sind gut durch Fließpressen umformbar und erfahren eine Festigkeitssteigerung durch Kaltumformung während eines Fließpressvorganges. Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften decken diese Legierungen den größten Teil des Gesamtbedarfes im Bereich der Verpackungsbutzen und teilweise auch im Bereich der technischen Butzen ab.When using pure aluminium, alloys with an aluminum content of at least 99.5% (EN AW 1050) or with an aluminum content of at least 99.7% (EN AW 1070) are mainly used (according to European standard EN 573-3). Materials of this type can easily be formed by extrusion and experience an increase in strength through cold forming during an extrusion process. Due to these advantageous properties, these alloys cover the majority of the total requirement in the area of packaging slugs and partly also in the area of technical slugs.
Allgemein werden Aluminiumlegierungen in 9 Gruppen eingeteilt.
- Legierungen der 1000er Normen (z.B. EN AW 1050 und EN AW 1070) umfassen Legierungen aus Reinaluminium mit mindestens 99% Aluminium, wobei einige Legierungen dieser Gruppe für Verpackungsbutzen eingesetzt werden.
- Unter Legierungen der 2000er Normen werden Legierungen aus Aluminium und Kupfer, aber auch Legierungen, welche Mn und Mg enthalten, zusammengefasst.
- Legierungen der 3000er Normen (z.B. EN AW 3102) umfassen Legierungen aus Aluminium und Mangan.
- Legierungen aus Aluminium und Silizium werden als Legierungen der 4000er Normen bezeichnet. Aus diesen Legierungen werden zum Teil Getränkedosen hergestellt.
- Legierungen der 5000er Normen umfassen Legierungen aus Aluminium und Magnesium. Auch aus diesen Legierungen werden zum Teil Getränkedosen hergestellt.
- Legierungen aus Aluminium, Magnesium und Silizium werden als Legierungen der 6000er Normen bezeichnet. Diese Legierungen werden industriell am häufigsten (u.a. aufgrund der guten Umformbarkeit und Aushärtbarkeit) verwendet, aber sind jedoch für die Herstellung von Butzen nur bedingt geeignet.
- Legierungen der 7000er Normen umfassen Legierungen aus Aluminium und Zink. Diese Legierungen weisen jedoch eine schlechte Umformbarkeit und eine hohe Festigkeit, welche teilweise höher als Stahl ist, auf.
- Legierungen aus Aluminium und Eisen werden als Legierungen der 8000er Normen bezeichnet.
- Legierungen der 9000er Normen umfassen Sonderlegierungen, welche nicht unter die Definition einer der vorstehend genannten Gruppen fallen.
- Alloys of the 1000 standards (e.g. EN AW 1050 and EN AW 1070) include alloys of pure aluminum with at least 99% aluminum, with some alloys of this group being used for packaging slugs.
- Alloys of the 2000 standards include alloys made of aluminum and copper, but also alloys containing Mn and Mg.
- Alloys of the 3000 standards (e.g. EN AW 3102) include alloys of aluminum and manganese.
- Alloys of aluminum and silicon are referred to as 4000 standard alloys. Some beverage cans are made from these alloys.
- Alloys of the 5000 standards include alloys of aluminum and magnesium. Some beverage cans are also made from these alloys.
- Alloys of aluminum, magnesium and silicon are referred to as 6000 standard alloys. These alloys are the most commonly used industrially (among other things because of their good formability and hardenability), but they are only conditionally suitable for the production of slugs.
- Alloys of the 7000 standards include alloys of aluminum and zinc. However, these alloys have poor formability and high strength, which is sometimes higher than steel.
- Alloys of aluminum and iron are referred to as 8000 standard alloys.
- 9000 standard alloys include special alloys that do not fall under the definition of any of the above groups.
Ein typisches Beispiel für so genannte "Legierungsbutzen" sind die Butzen aus Aluminiumlegierungen mit einem Mangangehalt von 0,2 % (EN AW 3102) oder mit einem Mangangehalt von 0,6 % (EN AW 3207). Derartige Legierungen haben eine erheblich höhere Grundhärte und finden dadurch eher bei spezielleren Produkten, welche einen höheren Innendruck aushalten müssen, Anwendung. Aufgrund der höheren Festigkeit dieser Legierungen können dünnere Wanddicken bei Aerosoldosen und Gehäuse für technische Anwendungen erzielt werden.A typical example of so-called "alloy slugs" are slugs made from aluminum alloys with a manganese content of 0.2% (EN AW 3102) or with a manganese content of 0.6% (EN AW 3207). Alloys of this type have a significantly higher basic hardness and are therefore more likely to be used for more special products that have to withstand higher internal pressure. Due to the higher strength of these alloys, thinner wall thicknesses can be achieved in aerosol cans and housings for technical applications.
Die Legierungen werden zunächst in Bändern hergestellt, welche als Vormaterial zum Beispiel für die Herstellung von Butzen dienen. Ein typischer Prozessablauf bei der Herstellung gegossener Bänder umfasst Chargieren eines Ofens mit Ausgangsmaterial, Schmelzen des Materials, Legieren der Schmelze, Behandeln der Schmelze, Gießen als Band, Warmwalzen des Bandes, Kaltwalzen des Bandes, und Aufhaspeln des Bandes.The alloys are first produced in strips, which serve as the starting material for the production of slugs, for example. A typical process flow in the production of cast strip includes charging a furnace with feedstock, melting the material, alloying the melt, treating the melt, casting as strip, hot rolling the strip, cold rolling the strip, and coiling the strip.
Zusätzliche Prozessabläufe bei der Herstellung von Butzen aus gegossenen Bändern umfassen Stanzen der Butzen aus einem abgehaspelten Band, Weichglühen der Butzen, Behandeln der Oberfläche der Butzen (zum Beispiel, Strahlen, Scheuern, Trommeln, Trowalisieren bzw. Gleitschleifen, etc.), Verpacken der Butzen, und schließlich Lagern der Butzen.Additional process sequences in the production of slugs from cast strip include stamping the slugs from an uncoiled strip, soft annealing the slugs, treating the surface of the slugs (e.g., blasting, scouring, tumbling, barrel finishing, etc.), packing the slugs, and finally storing the slugs.
Aus Gründen des Umweltschutzes und der Ressourcenschonung kann beim Herstellungsverfahren Kreislaufmaterial zugesetzt werden. Prinzipiell lässt sich ein Kreislaufmaterial, welches bei der Herstellung einer Legierung zugesetzt werden kann, in zwei Arten einteilen.For reasons of environmental protection and resource conservation, recycling material can be added to the manufacturing process. In principle, a return material that can be added during the production of an alloy can be divided into two types.
Zum einen gibt es den sogenannten "Abfall vor Gebrauch" oder "Post Industrial Recycled" (Abkürzung: PIR). Unter diesen Begriff fallen zum Beispiel Stanzgitter aus der Butzenherstellung mit Primäraluminium als Ausgangsmaterial.On the one hand there is the so-called " Waste before use " or " Post Industrial Recycled " (abbreviation: PIR). This term includes, for example, pressed screens from slug production with primary aluminum as the starting material.
Zum anderen, gibt es den sogenannten "Abfall nach Gebrauch" oder "Post Consumer Recycled" (Abkürzung: PCR, gemäß DIN EN ISO 14021:2016). Unter diesen Begriff fallen gebrauchte Getränkedosen aus Sammelstellen (gemäß EN 13920-10 bzw. Abfallschlüssel 15 01 04 oder 19 12 03), aluminiumhaltiger Sortierschrott aus dem "Gelben Sack" (gemäß EN 13920-9 bzw. Abfallschlüssel 15 01 04 oder 19 12 03), Off-Set-Bleche (gemäß EN 13920-2 bzw. Abfallschlüssel 19 12 03), Draht- und Kabelschrotte (gemäß EN 13920-3 bzw. Abfallschlüssel 19 12 03), Profilschrotte (gemäß EN 13920-4 oder -5 bzw. Abfallschlüssel 19 12 03), und umgearbeitete Aluminium-Krätze aus der eigenen Schmelze mit einem Sekundäraluminiumanteil > 60% (gemäß EN 13920-16).On the other hand, there is the so-called " waste after use " or " post consumer recycled " (abbreviation: PCR, according to DIN EN ISO 14021:2016). This term includes used beverage cans from collection points (according to EN 13920-10 or waste code 15 01 04 or 19 12 03), sorting scrap containing aluminum from the "yellow bag" (according to EN 13920-9 or waste code 15 01 04 or 19 12 03 ), off-set sheets (according to EN 13920-2 or waste code 19 12 03), wire and cable scrap (according to EN 13920-3 or waste code 19 12 03), profile scrap (according to EN 13920-4 or -5 or Waste code 19 12 03), and processed aluminum dross from our own smelting with a secondary aluminum content > 60% (according to EN 13920-16).
Beim PCR handelt es sich überwiegend um verunreinigten Abfall bzw. Schrott, an dem organische Stoffe (z.B. Öl, Farbe, Reststoffe aus der Füllung, usw.) haften. Allgemein gibt es zwei Möglichkeiten derartiges Material aufzuarbeiten. Eine Verarbeitung ohne Vorbehandlung ist nur dann möglich, wenn ein Schmelzofen mit einer entsprechenden Technologie verwendet wird. Ohne die Verwendung eines Schmelzofens ist ein Schritt der Umarbeitung notwendig. Hierbei wird kontaminierter Schrott in einem Betrieb mit entsprechender Technologie umgeschmolzen. Durch die Umschmelzung entstehen Barren (sogenannte "Sows"), die dann ohne Probleme im Schmelzofen der Rotary-Casting-Anlage eingesetzt werden können.The PCR mainly involves contaminated waste or scrap to which organic substances (e.g. oil, paint, residues from the filling, etc.) adhere. In general, there are two ways to process such material. Processing without pre-treatment is only possible if a melting furnace with the appropriate technology is used. Without using a furnace, a rework step is necessary. Contaminated scrap is remelted in a facility with the appropriate technology. Through the remelting Ingots are formed (so-called "sows "), which can then be used in the melting furnace of the rotary casting plant without any problems.
Bisher wird jedoch PCR-Aluminium kaum als Kreislaufmaterial verarbeitet. Industriell erfolgt die Herstellung von Legierungen hauptsächlich aus PIR-Aluminium aufgrund der nachstehenden Vorteile gegenüber dem Einsatz von PCR-Aluminium.So far, however, PCR aluminum has hardly been processed as a recycle material. Industrially, alloys are mainly manufactured from PIR aluminum due to the following advantages over the use of PCR aluminum.
Einer der wichtigsten Gründe ist die Umformbarkeit. Reinaluminiumlegierungen (beispielsweise EN AW 1050 und EN AW 1070) lassen sich sehr gut in Dosen und Tuben umformen. Aufgrund dieses sehr guten Umformvermögens sind Werkstoffe aus derartigen Legierungen für alle Dosen- und Tubenhersteller ideale Ausgangsmaterialien zur Weiterverarbeitung.One of the most important reasons is formability. Pure aluminum alloys (e.g. EN AW 1050 and EN AW 1070) can be easily formed into cans and tubes. Due to this very good formability, materials made from such alloys are ideal starting materials for further processing for all can and tube manufacturers.
Ferner ist im industriellen Maßstab ein reproduzierbarer Prozess entscheidend. Reine Legierungen sind aus Primäraluminium mit gleichem Reinheitsgrad herzustellen. Es wird auf Primärmetall zurückgegriffen, da es nur sehr begrenzt Schrottarten gibt, welche einen gleichen Reinheitsgrad aufweisen.Furthermore, a reproducible process is crucial on an industrial scale. Pure alloys are to be made from primary aluminum of the same degree of purity. Primary metal is used because there are only a very limited number of types of scrap that have the same degree of purity.
Da beim Stanzen durchschnittlich 40% Prozessschrott entstehen, ist es aus wirtschaftlichen Gründen sinnvoll, die reinen Legierungen im eigenen Materialkreislauf zu halten. Falls reine Legierungen zu höher legierten Legierungen zugegeben werden, sind sie für den Kreislauf reiner Legierungen verloren.Since an average of 40% process scrap is produced during stamping, it makes economic sense to keep the pure alloys in your own material cycle. If pure alloys are added to higher alloys, they are lost to the pure alloy cycle.
Reine Legierungen wie beispielsweise EN AW 1050 und EN AW 1070 weisen eine ähnliche chemische Zusammensetzung auf und können gegebenenfalls auch gemischt verarbeitet werden, was in einer einfachen Logistik resultiert.Pure alloys such as EN AW 1050 and EN AW 1070 have a similar chemical composition and can also be mixed if necessary, which results in simple logistics.
Allgemeinen wird bei der Herstellung einer Legierung ohne Verwendung von Aluminium-Schrott Primäraluminium als Basis eingesetzt und durch entsprechende Vorlegierungen legiert. Beispielsweise werden zur Erzielung der Legierung EN AW 3102 Primäraluminium und eine AlMn-Vorlegierung eingesetzt. Wird PIR-Aluminium als Kreislaufmaterial eingesetzt, so besteht die Mischung der Einsatzmaterialien aus Primäraluminium und einer Vorlegierung (beispielsweise AlMn zu Erzielung der Legierung EN AW 3102) und zum Beispiel Stanzgitter aus gleicher Legierung (aus einer vorhergehenden Produktion).In general, when producing an alloy without using aluminum scrap, primary aluminum is used as the basis and alloyed with appropriate master alloys. For example, primary aluminum and an AlMn master alloy are used to achieve the EN AW 3102 alloy. If PIR aluminum is used as a return material, the mixture of input materials consists of Primary aluminum and a master alloy (e.g. AlMn to obtain the EN AW 3102 alloy) and, for example, pressed screens made from the same alloy (from a previous production).
Bei der Herstellung von beispielsweise den Legierungen EN AW 1050 und EN AW 1070 wird im Stand der Technik deshalb ein typisches Verhältnis von 60 bis 70 % Primäraluminium (z.B. Masseln in Qualität P1020 gemäß Norm DIN EN 576) zu 30 bis 40 % Sekundäraluminium (PIR-Prozessschrott, z.B. Stanzgitterschrotte aus der Butzenproduktion, jeweils aus derselben Legierung) verwendet.In the production of the alloys EN AW 1050 and EN AW 1070, for example, a typical ratio of 60 to 70% primary aluminum (e.g. ingots of quality P1020 according to the DIN EN 576 standard) to 30 to 40% secondary aluminum (PIR Process scrap, e.g. stamped grid scrap from slug production, each made of the same alloy) is used.
Auch bei der Herstellung von beispielsweise den Legierungen EN AW 3102 und EN AW 3207 wird im Stand der Technik ein typisches Verhältnis von 60 bis 70 % Primäraluminium (z.B. Masseln in Qualität P1020 gemäß Norm DIN EN 576) zu 30 bis 40 % Sekundäraluminium (Vorlegierungen zum Legieren und PIR-Prozessschrott z.B. Stanzgitterschrotte aus der Butzenproduktion, jeweils aus derselben Legierung) verwendet.In the production of the alloys EN AW 3102 and EN AW 3207, for example, a typical ratio of 60 to 70% primary aluminum (e.g. ingots in quality P1020 according to the DIN EN 576 standard) to 30 to 40% secondary aluminum (master alloys for alloys and PIR process scrap, e.g. lead frame scrap from slug production, each made from the same alloy).
Literatur-2 (
Das Einsatzmaterial für die Herstellung von Aluminiumlegierungen bestimmt maßgeblich das Ausmaß der CO2-Emission. Die Primärmetallherstellung aus Bauxit ist aufgrund der Elektrolyse sehr energieintensiv und verursacht daher eine hohe CO2-Belastung. Die CO2-Belastung beim Einsatz von Primärmetall ist deshalb wesentlich höher als beim Einsatz von Kreislaufmaterial.The input material for the production of aluminum alloys largely determines the level of CO 2 emissions. The primary metal production from bauxite is very energy-intensive due to the electrolysis and therefore causes a high CO 2 load. The CO 2 load when using primary metal is therefore significantly higher than when using recycled material.
Hinsichtlich des Primäraluminiums beträgt die CO2-Belastung in Europa in Bezug auf produziertes Primäraluminium 6,7 kg(CO2)/kg(Al) und eingesetztem Primäraluminium 8,7 kg(CO2)/kg(Al). Weltweit beträgt die CO2-Belastung durch eingesetztes Primäraluminium sogar 18 kg(CO2)/kg(Al) (siehe Tabelle 1, Literatur-3).With regard to primary aluminum, the CO 2 pollution in Europe in relation to produced primary aluminum is 6.7 kg(CO 2 )/kg(Al) and primary aluminum used is 8.7 kg(CO 2 )/kg(Al). Globally, the CO 2 load from the use of primary aluminum is as high as 18 kg(CO 2 )/kg(Al) (see Table 1, Literature-3).
Im Gegensatz dazu beträgt die CO2-Belastung hinsichtlich des Sekundäraluminiums durch Umschmelzen des Kreislaufmaterials lediglich 0,3 kg(CO2)/kg(Al) (siehe Tabelle 1, Literatur-3). Zusätzlich fallen CO2-Belastungen an, welche durch Prozesse wie Sammeln, Reinigen, Sortieren und Transportieren des Kreislaufmaterials entstehen, und auf ca. 0,625 kg(CO2)/kg(Al) deutschlandweit abgeschätzt werden können (siehe Tabelle 1, Literatur-4).
Entsprechend Tabelle 1 beträgt die CO2-Belastung eines Vormaterials, welches z.B. in einen Schmelz-/Gießofen einer Bandgießanlage chargiert wird, im Falle eines direkten Einsatzes ca. 0,625 kg(CO2)/kg(Al) und im Falle eines zusätzlich umgearbeiteten Materials ca. 0,975 kg(CO2)/kg(Al).According to Table 1, the CO 2 load of a starting material that is charged, for example, in a melting/casting furnace of a strip caster, is approx. 0.625 kg(CO 2 )/kg(Al) in the case of direct use and in the case of an additionally processed material approx. 0.975 kg(CO 2 )/kg(Al).
Im Vergleich zum eingesetzten Primäraluminium ergibt sich eine CO2-Einsparung von mindestens 89 %, wenn eine Aluminiumlegierung ausschließlich mit Sekundäraluminium hergestellt wird.Compared to the primary aluminum used, there is a CO 2 saving of at least 89% if an aluminum alloy is produced exclusively with secondary aluminium.
Zum Beispiel beträgt die Recyclingquote für aluminiumhaltige Getränkedosen, ca. 72 % bezogen auf Europa bzw. ca. 99 % bezogen auf Deutschland. Das seit Jahrzehnten eingeführte Pfandsystem in Deutschland führte zu einem derartig hohen Rückführungsanteil des PCR-Aluminiums in den Kreislauf (siehe Literatur-5).For example, the recycling rate for beverage cans containing aluminum is around 72% in Europe and around 99% in Germany. The deposit system introduced in Germany decades ago led to such a high proportion of PCR aluminum being recycled (see Literature-5).
Das heißt, durch den gezielten Einsatz von auf dem Markt erhältlichen Kreislaufmaterialarten kann die CO2-Bilanz beispielsweise bei der Herstellung von Butzen, welche bis 90 % durch den CO2-Wert des eingesetzten Vormaterials bestimmt wird, in erheblichem Maße reduziert werden.This means that through the targeted use of types of recycling material available on the market, the CO 2 balance, for example in the production of slugs, which is determined by the CO 2 value of the primary material used by up to 90%, can be significantly reduced.
Die steigende Sensibilität der Endverbraucher hinsichtlich Nachhaltigkeit von Produktion- und Wertstoffkreisläufen und daraus resultierender CO2-Bilanz fordert den steigenden Einsatz von recyceltem Material, insbesondere von PCR-Aluminium, in der Herstellung von aluminiumhaltigen Legierungen.The increasing sensitivity of end users with regard to the sustainability of production and material cycles and the resulting CO 2 balance calls for the increasing use of recycled material, especially PCR aluminum, in the production of aluminum alloys.
Im Stand der Technik werden dennoch Verpackungsbutzen, welche beispielsweise als Vormaterial zur Herstellung von Dosen und Tuben dienen, und technische Butzen, welche beispielsweise zur Herstellung von Gehäusen (z.B. Kraftstofffiltergehäuse im Auto) oder ähnlichen dienen, überwiegend aus Reinaluminium (Legierungen gemäß EN AW 1050A und EN AW 1070A) hergestellt. Derart reine Legierungen können mit Einsatz von Masseln und/oder sortenreinem Schrott, beispielsweise Stanzgitter, problemlos hergestellt werden. Ein typisches Herstellungsverfahren verwendet beispielsweise 60 % Primäraluminium und 40 % Stanzgitter.In the prior art, however, packaging slugs, which are used, for example, as a starting material for the production of cans and tubes, and technical slugs, which are used, for example, for the production of housings (e.g. fuel filter housings in cars) or similar, are mainly made of pure aluminum (alloys according to EN AW 1050A and EN AW 1070A). Such pure alloys can be produced without any problems using ingots and/or single-variety scrap, for example stamped skeletons. For example, a typical manufacturing process uses 60% primary aluminum and 40% lead frame.
Allgemein gilt, je niedriger der Legierungsanteil (ca. max. 0,5 % gesamt) ist, desto einfacher ist die Einstellung der genormten chemischen Zusammensetzung durch den Einsatz von Primäraluminium. Außerdem besteht bei derartig geringen Legierungsanteilen der Vorteil, dass sich das Material leichter umformen lässt und somit die erforderliche Umformkraft geringer ist. Dies wirkt sich auf den Werkzeugverschleiß positiv aus.In general, the lower the alloy content (approx. max. 0.5% total), the easier it is to set the standardized chemical composition through the use of primary aluminum. In addition, with such low alloy proportions, there is the advantage that the material can be formed more easily and the required forming force is therefore lower. This has a positive effect on tool wear.
Aus den vorstehend genannten Gründen wurde bisher im Stand der Technik an den bisherigen Prozessen wenig geändert. Das steigende Umweltbewusstsein und das gesteigerte Empfinden hinsichtlich der Nachhaltigkeit der Gesellschaft zwingt die Aluminiumindustrie dazu neue Wege zu gehen, das heißt, beispielsweise Legierungen aus verschiedenen Kreislaufmaterialien (nicht normierte Werkstoffe mit höheren Legierungsanteilen) herzustellen.For the reasons mentioned above, little has been changed in the prior art to the previous processes. The increasing environmental awareness and the heightened awareness of the sustainability of society is forcing the aluminum industry to break new ground, that is, for example to produce alloys from various recycling materials (non-standard materials with higher alloy proportions).
Um möglichst nachhaltige Wertstoffkreisläufe bei der Herstellung zu verwenden und Produkte zu erzeugen, welche im Wesentlichen aus Sekundärmaterial mit minimalen CO2-Emissionen produziert werden, wurde das vorliegende Verfahren erfunden.The present method was invented in order to use the most sustainable possible material cycles in production and to produce products which are essentially produced from secondary material with minimal CO 2 emissions.
Die vorliegende Erfindung löst das oben genannte Problem und leistet einen Beitrag zur Nachhaltigkeit durch einen Einsatz von Kreislaufmaterialarten (Sekundäraluminium) bis zu 100%. Vorteilhaft setzt die vorliegende Erfindung Kreislaufmaterialarten ein, welche auf dem Markt derzeit ausreichend verfügbar sind, da sie verfahrensbedingt und somit zwangsläufig anfallen oder eine kurze Nutzungsdauer haben. Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen Einsatz verschiedener Kreislaufmaterialarten in unterschiedlichen Mengenverhältnissen mit einer breiten Toleranz (bezogen auf Gew.-%).The present invention solves the above problem and contributes to sustainability by using up to 100% of recyclable material types (secondary aluminium). The present invention advantageously uses types of cycle material that are currently sufficiently available on the market, since they occur as a result of the process and are therefore inevitable or have a short useful life. The present invention enables the use of different types of circuit material in different proportions with a wide tolerance (in terms of weight %).
Legierungselemente und insbesondere der spezifische Mangangehalt der erfindungsgemäßen Legierung führen zu einer Festigkeitssteigerung, welche neue Möglichkeiten bei der Gestaltung der Wanddicken (insbesondere eine geringere Wanddicke) ermöglicht, und wodurch erhebliche Einsparpotentiale beim Materialeinsatz des Fließpressprozesses und schließlich leichtere Endprodukte (z.B. geringes Dosenleergewicht) erreicht werden können.Alloying elements and in particular the specific manganese content of the alloy according to the invention lead to an increase in strength, which enables new possibilities in the design of the wall thicknesses (in particular a lower wall thickness), and as a result of which considerable savings potential in the use of materials in the impact extrusion process and ultimately lighter end products (e.g. low empty can weight) can be achieved .
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Legierungsbands aus recyceltem Aluminium bzw. PCR-Aluminium bereitgestellt, wobei keine Legierungselemente zugesetzt werden und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst.In a first aspect of the present invention, there is provided a method of making alloy strip from recycled aluminum or PCR aluminum provided, wherein no alloying elements are added and the method comprises the following steps.
Zuerst wird die Zusammensetzung von einzelnen Chargen der Ausgangsmaterialien, bestehend aus Aluminium, wie Masseln ("Hüttenaluminium"), und Aluminium-Kreislaufmaterialien wie Schrotte vor Gebrauch (PIR) z.B. Stanzgitter und Schrotte nach Gebrauch (PCR) wie Drahtschrott oder Sows aus verschiedenen Schrottarten, um eine Legierung mit gewünschter Zusammensetzung ("RAW-C", "Recycled Aluminum Wutöschingen-Container") zu erzielen, bestimmt. Die Bestimmung basiert auf einer theoretischen Berechnung der chemischen Zusammensetzung der Ziellegierung, wobei ausgehend von den jeweiligen chemischen Zusammensetzungen der eingesetzten, einzelnen Einsatzmaterialarten, insbesondere Schrottarten, wie beispielsweise Getränkedosen, Off-Set-Bleche, oder Drahtschrott ein Mischungsverhältnis ermittelt wird.First, the composition of individual batches of the starting materials, consisting of aluminum such as ingots ( "primary aluminum ") and aluminum cycle materials such as scrap before use (PIR) e.g. stamped skeleton and scrap after use (PCR) such as wire scrap or sows from various types of scrap, to achieve an alloy with the desired composition ("RAW-C","Recycled Aluminum Wutöschingen-Container "). The determination is based on a theoretical calculation of the chemical composition of the target alloy, with a mixing ratio being determined on the basis of the respective chemical compositions of the individual input material types used, in particular scrap types such as beverage cans, off-set sheet metal or wire scrap.
PCR-Aluminium, welches in der Herstellung einer Legierung eingesetzt wird, kann in Form von Sows als Vormaterial von Umarbeits-Gießereien bezogen werden. Beispielsweise kann ein derartiges Vormaterial aus 40 % Getränkedosen und 60 % Off-Set-Bleche bestehen, es sind aber auch separate Umschmelzungen möglich, sodass das Vormaterial in Form von Sows aus 100 % Getränkedosen, oder 100 % Off-Set-Bleche besteht.PCR aluminum, which is used in the production of an alloy, can be obtained in the form of sows as starting material from reworking foundries. For example, such a starting material can consist of 40% beverage cans and 60% off-set sheet metal, but separate remelting is also possible, so that the starting material in the form of sows consists of 100% beverage cans or 100% off-set sheet metal.
Eine derartige Ermittlung bzw. "Gattierung" wird jeweils für einen Guss entsprechend den Einsatzmaterialien und dem gewünschten Endprodukt ("RAW"-Legierung) berechnet.Such a determination or " batching " is calculated for each casting according to the materials used and the desired end product ("RAW" alloy).
Anschließend wird eine Anlage zum Gießen von Bändern mit den Chargen der Ausgangsmaterialien gemäß dem vorherigen Schritt entsprechend der Form des Ausgangsmaterials bzw. Einsatzmaterials (zunächst kleinformatige Schrotte wie z.B. Stanzgitter oder würfelförmiger Drahtschrott und anschließend die großformatigen Schrotte wie Sows (ca. 800kg/St.)) beschickt. Eine derartige Anlage kann beispielsweise aus einem separaten Schmelzofen und einem nachgeschalteten Gießofen, oder aus einem kombinierten Schmelz-/Gießofen bestehen.Then, a strip casting line with the batches of the starting materials according to the previous step according to the shape of the starting material or input material (first, small-sized scraps such as stamping skeleton or cube-shaped wire scrap, and then the large-sized scraps such as sows (about 800kg/pc) ) loaded. Such a system can, for example consist of a separate melting furnace and a downstream casting furnace, or of a combined melting/casting furnace.
Im Folgenden wird die Mischung im Ofen geschmolzen. Die Energiezufuhr kann beispielsweise durch einen Brenner an der Ofendecke erfolgen. Während der Schmelzphasen wird die Temperatur überwacht und variiert. Die Deckentemperatur vor der Beschickung kann eine Temperatur in einem Bereich von 700 °C bis 1000 °C, vorzugsweise in einem Bereich von 800 °C bis 900 °C, bevorzugter in einem Bereich von 820 °C bis 870 °C aufweisen, und weist insbesondere bevorzugt eine Temperatur von 850 °C auf. Die Deckentemperatur während des Schmelzens kann eine Temperatur in einem Bereich von 800 °C bis 1000 °C, vorzugsweise in einem Bereich von 900 °C bis 1000 °C, und bevorzugter in einem Bereich von 950 °C bis 1000 °C aufweisen, und weist insbesondere bevorzugt eine Temperatur von 990 °C auf.The mixture is then melted in the furnace. The energy can be supplied, for example, by a burner on the furnace roof. During the melting phases, the temperature is monitored and varied. The ceiling temperature before loading may have a temperature in a range of 700°C to 1000°C, preferably in a range of 800°C to 900°C, more preferably in a range of 820°C to 870°C, and in particular has preferably a temperature of 850 °C. The ceiling temperature during melting may have a temperature in a range of 800°C to 1000°C, preferably in a range of 900°C to 1000°C, and more preferably in a range of 950°C to 1000°C a temperature of 990° C. is particularly preferred.
Die entstandene Schmelze wird beispielsweise durch Salz-, Absteh- und Spülgasbehandlungen zur Bindung von nichtmetallischen Verunreinigungen, wie zum Beispiel Oxiden, behandelt und gereinigt. Aufgeschmolzenes Aluminium wird auf dem Weg zur Gießanlage durch keramischen Filter gereinigt.The resulting melt is treated and cleaned, for example, by salt, standing and purge gas treatments to bind non-metallic impurities such as oxides. Molten aluminum is cleaned by ceramic filters on the way to the casting plant.
Die entstandene Schmelze wird hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung untersucht, wobei eine erste Probe nach dem vollständigen Beschicken des Ofens genommen (Schmelzprobe), und eine zweite Probe vor dem Gießen genommen wird (Freigabeprobe).The resulting melt is analyzed for chemical composition, with a first sample taken after the furnace is fully charged (melt sample) and a second sample taken before pouring (release sample).
Die Deckentemperatur während des Gießens kann eine Temperatur in einem Bereich von 600 °C bis 900 °C, vorzugsweise eine Temperatur in einem Bereich von 700 °C bis 800 °C, und bevorzugter eine Temperatur in einem Bereich von 700 °C bis 750 °C aufweisen, und weist insbesondere bevorzugt eine Temperatur von 720 °C auf, wobei die Temperatur des Metalls, abhängig von der Legierung, eine Temperatur in einem Bereich von 700 °C bis 800 °C, vorzugsweise eine Temperatur in einem Bereich von 710 °C bis 740 °C aufweist; und bevorzugter eine Temperatur von 730 °C aufweist. Die Gießtemperatur hängt vom Material ab und liegt normalerweise über 660 °C. Die Gießtemperatur kann eine Temperatur in einem Bereich von 660 °C bis 900 °C, vorzugsweise in einem Bereich von 660 °C bis 800 °C, bevorzugter in einem Bereich zwischen 690 °C und 750 °C aufweisen, und weist insbesondere bevorzugt eine Temperatur von 730 °C auf.The ceiling temperature during casting may be a temperature in a range of 600°C to 900°C, preferably a temperature in a range of 700°C to 800°C, and more preferably a temperature in a range of 700°C to 750°C have, and particularly preferably has a temperature of 720 ° C, the temperature of the metal, depending on the alloy, a temperature in a range from 700 ° C to 800 ° C, preferably a temperature in a range from 710 ° C to 740°C; and more preferably has a temperature of 730°C. The casting temperature depends on the material and is usually above 660 °C. The Casting temperature may have a temperature in a range from 660°C to 900°C, preferably in a range from 660°C to 800°C, more preferably in a range between 690°C and 750°C, and most preferably has a temperature of 730 °C.
Die flüssige Mischung wird vorzugsweise durch Rotary-Casting zu einem Band gegossen. Das Gießen erfolgt kontinuierlich über ein Gießrad. Ein Gießrad kann beispielsweise aus Stahl oder Kupfer bestehen und einen Durchmesser von 1000 bis 1800 mm aufweisen. Die Temperatur des aus der Anlage heraustretenden Bandes hängt unter anderem vom Bandquerschnitt und Gießradtyp ab und kann eine Temperatur in einem Bereich von 400 °C bis 600 °C, vorzugsweise eine Temperatur in einem Bereich von 450 °C bis 550 °C, bevorzugter eine Temperatur in einem Bereich von 470 °C bis 530 °C aufweisen, und weist insbesondere bevorzugt eine Temperatur von 500 °C auf. Aus flüssigem Aluminium wird in dem Gießspalt zwischen Gießband und Gießrad ein Band mit beispielsweise einer Dicke von 16 bis 32 mm gebildet.The liquid mixture is preferably cast into a tape by rotary casting. Casting takes place continuously via a casting wheel. A casting wheel can be made of steel or copper, for example, and have a diameter of 1000 to 1800 mm. The temperature of the strip emerging from the plant depends, inter alia, on the strip cross-section and the type of casting wheel, and can be a temperature in a range from 400 °C to 600 °C, preferably a temperature in a range from 450 °C to 550 °C, more preferably a temperature in a range from 470°C to 530°C, and particularly preferably has a temperature of 500°C. A strip with a thickness of 16 to 32 mm, for example, is formed from liquid aluminum in the casting gap between the casting strip and the casting wheel.
Anschließendes Warmwalzen des Bandes erfolgt oberhalb der Rekristallisationstemperatur der Zusammensetzung. Die Rekristallisationstemperatur ist vom Material abhängig und somit kann eine Temperatur während des Warmwalzens in einem Bereich von 300 °C bis 600 °C, vorzugsweise eine Temperatur in einem Bereich von 320 °C bis 500 °C, bevorzugter eine Temperatur in einem Bereich von 370 °C bis 470 °C gewählt werden. Besonders bevorzugt wird eine Temperatur von 440 °C während des Warmwalzens gewählt. Durch diesen Schritt wird die Ausgangsdicke um 25 % bis 50 % reduziert.Subsequent hot rolling of the strip occurs above the recrystallization temperature of the composition. The recrystallization temperature depends on the material, and thus a temperature during hot rolling can be in a range of 300°C to 600°C, preferably a temperature in a range of 320°C to 500°C, more preferably a temperature in a range of 370° C to 470 °C can be selected. A temperature of 440° C. is particularly preferably selected during hot rolling. This step reduces the initial thickness by 25% to 50%.
Das Band muss nach dem Warmwalzen durch eine geeignete Kühlung auf maximal 50 °C, bevorzugter auf eine Temperatur nicht höher als 40 °C, und besonders bevorzugt auf nicht höher als 30 °C gekühlt werden. Der Abkühlgradient beträgt dabei vorzugsweise zwischen 800 °C und 1200 °C/Min, bevorzugter zwischen 850 °C und 1150 °C, besonders bevorzugt zwischen 900 °C und 1100 °C.After hot rolling, the strip must be cooled to a maximum of 50°C, more preferably to a temperature not higher than 40°C, and most preferably to a temperature not higher than 30°C, by suitable cooling. The cooling gradient is preferably between 800° C. and 1200° C./min, more preferably between 850° C. and 1150° C., particularly preferably between 900° C. and 1100° C.
Nach dem Kaltwalzen des Bandes wird beispielsweise eine Dicke zwischen 5 mm und 12 mm erreicht.After the strip has been cold-rolled, a thickness of between 5 mm and 12 mm is achieved, for example.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Butzen aus recyceltem Aluminium bzw. PCR-Aluminium bereitgestellt, wobei keine Legierungselemente separat zugesetzt werden und das Verfahren die vorstehend beschriebenen Schritte des ersten Aspekts und die nachstehenden Schritte umfasst.In a second aspect of the present invention, there is provided a method of producing a recycled aluminum or PCR aluminum slug, wherein no alloying elements are added separately, the method comprising the steps of the first aspect described above and the steps below.
"Separat zugesetzt" bedeutet in diesem Zusammenhang dass, außer den eingesetzten Aluminium-Vormaterialarten, welche bereits Legierungselemente aufweisen, keine Elemente der Al-Legierung elementar hinzugegeben werden. Die eingesetzten Vormaterialarten weisen beispielsweise im Fall von alten Getränkedosen einen Gesamtlegierungsanteil von ca. 2 % bis 3% auf. Da die Vormaterialarten ausreichende Legierungselemente in die Schmelze bringen, ist ein zusätzliches Legieren durch Zugabe von Legierungselemente nicht erforderlich."Added separately" in this context means that, apart from the types of aluminum pre-material used, which already have alloying elements, no elementary elements of the Al alloy are added. In the case of old beverage cans, for example, the types of primary material used have a total alloy content of approx. 2% to 3%. Since the primary material types bring sufficient alloying elements into the melt, additional alloying by adding alloying elements is not necessary.
Die Butzen werden durch Stanzen des erzeugten Gießbandes mit geeignetem Stanzwerkzeug hergestellt.The slugs are produced by stamping the cast strip produced using a suitable stamping tool.
Ferner werden die Butzen wärmebehandelt, um die durch das Walzen und das Stanzen entstandene Kaltverfestigung abzubauen. Bei der Wärmebehandlung kann eine Temperatur in einem Bereich von 400 °C bis 600 °C, vorzugsweise eine Temperatur in einem Bereich von 420 °C bis 580 °C, bevorzugter eine Temperatur in einem Bereich von 450 °C bis 550 °C gewählt werden, und besonders bevorzugt beträgt die Temperatur 520 °C.In addition, the slugs are heat treated to remove work hardening caused by rolling and stamping. In the heat treatment, a temperature in a range of 400 °C to 600 °C, preferably a temperature in a range of 420 °C to 580 °C, more preferably a temperature in a range of 450 °C to 550 °C can be selected, and most preferably the temperature is 520°C.
Nach dem Abkühlen der Butzen auf Raumtemperatur wird die Butzenoberfläche beispielsweise durch Strahlen, Scheuern und Trommeln aufgeraut, um eine ausreichende Schmiermittelaufnahme der Butzen für den Kaltfließpressvorgang zu ermöglichen.After the slugs have cooled to room temperature, the slug surface is roughened, for example by blasting, scouring and tumbling, in order to enable the slugs to absorb sufficient lubricant for the cold extrusion process.
In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine "RAW"-Legierung, welche durch das Verfahren gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt hergestellt wird, bereitgestellt. Diese Legierung weist die folgende Zusammensetzung auf:
In einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Legierung "RAW-C25" gemäß dem dritten Aspekt bereitgestellt. Diese Legierung weist die folgende Zusammensetzung auf:
In einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine spezifische Legierung "RAW-C25" gemäß dem vierten Aspekt bereitgestellt. Diese Legierung weist die folgende Zusammensetzung auf:
In einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Legierung "RAW-C50" gemäß dem dritten Aspekt bereitgestellt. Diese Legierung weist die folgende Zusammensetzung auf:
In einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine spezifische Legierung "RAW-C50" gemäß dem sechsten Aspekt bereitgestellt. Diese Legierung weist die folgende Zusammensetzung auf:
In einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Legierung "RAW-C95" gemäß dem dritten Aspekt bereitgestellt. Diese Legierung weist die folgende Zusammensetzung auf:
In einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine spezifische Legierung "RAW-C95" gemäß dem achten Aspekt bereitgestellt. Diese Legierung weist die folgende Zusammensetzung auf:
In einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird PCR-Aluminium verwendet, um eine Legierung gemäß einem Aspekt des dritten bis neunten Aspekts, hergestellt nach dem Verfahren gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt, zu erzeugen. PCR-Aluminium umfasst Aluminium-Schrotte, und/oder gebrauchte Getränkedosen, und/oder aluminiumhaltigen Sortierschrott, und/oder Off-Set-Bleche, und/oder Draht-und Kabelschrotte, und/oder Profilschrotte, und/oder umgearbeitete Aluminium-Krätze aus der eigenen Schmelze.In a tenth aspect of the present invention, PCR aluminum is used to produce an alloy according to any aspect of the third to ninth aspects produced by the method according to the first or second aspect. PCR aluminum includes aluminum scrap, and/or used beverage cans, and/or sorting scrap containing aluminum, and/or offset sheet metal, and/or wire and cable scrap, and/or profile scrap, and/or reworked aluminum dross your own melt.
In einem elften Aspekt beträgt der Anteil des PCR-Aluminiums gemäß dem zehnten Aspekt zwischen 10 % und 100 %, zwischen 20 % und 100 %, zwischen 30 % und 100 %, zwischen 40 % und 100 %, zwischen 50 % und 100 %, zwischen 60 % und 100 %, zwischen 70 % und 100 %, zwischen 80 % und 100 %, zwischen 90 % und 100 %, oder zwischen 95 % und 100 %.In an eleventh aspect, the proportion of the PCR aluminum according to the tenth aspect is between 10% and 100%, between 20% and 100%, between 30% and 100%, between 40% and 100%, between 50% and 100%, between 60% and 100%, between 70% and 100%, between 80% and 100%, between 90% and 100%, or between 95% and 100%.
Um möglichst nachhaltige Wertstoffkreisläufe bei der Herstellung zu verwenden und Produkte zu erzeugen, welche im Wesentlichen aus Sekundärmaterial mit minimalen CO2-Emissionen produziert werden, wurde das vorliegende Verfahren erfunden.The present method was invented in order to use the most sustainable possible material cycles in production and to produce products which are essentially produced from secondary material with minimal CO 2 emissions.
Das Verfahren und die dadurch hergestellten Legierungen ("RAW-C"-Legierungen) der vorliegenden Erfindung weisen vorteilhafte Wirkungen auf, da ein Anteil bis zu 100 % des PCR-Aluminiums eingesetzt werden kann, und für die kontinuierliche Versorgung der Kreislaufmaterialarten eine gute Verfügbarkeit auf dem Markt besteht. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung bewirken eine höhere Festigkeit im Falle von dünnwandigen Gehäusen und eine variable, gute Umformbarkeit beim Kaltfließverfahren, wodurch der Werkzeugverschleiß beim Stanzen im wirtschaftlich vertretbaren Rahmen bleibt.The method and the alloys produced thereby ("RAW-C" alloys) of the present invention have advantageous effects in that a proportion of up to 100% of the PCR aluminum can be used and good availability for the continuous supply of the recycle types the market exists. The alloys of the present invention result in higher strength in the case of thin-walled housings and variable, good formability in the cold forging process, as a result of which tool wear during stamping remains within an economically justifiable range.
Im herkömmlichen Verfahren zur Herstellung der Butzen (gemäß EN AW 1050A und EN AW 1070A) besteht der durchschnittlichen Materialfluss aus Masseln (Qualität: P1020) und aus Stanzgitter (gemäß EN AW 1050A und EN AW 1070A), wobei das Stanzgitter nach dem Stanzprozess dem Ofen bei der Beschickung ("Chargierung") wieder zugeführt wird (siehe Fig. 1).In the conventional process for manufacturing the slugs (according to EN AW 1050A and EN AW 1070A), the average material flow consists of ingots (quality: P1020) and stamped skeleton (according to EN AW 1050A and EN AW 1070A), with the stamped skeleton going to the furnace after the stamping process is supplied again during charging ("charging") (see Fig. 1).
Die allgemeine chemische Zusammensetzung von überwiegend eingesetzten Aluminiumlegierungen EN AW 1050A, EN AW 1070A, und EN AW 3102 (gemäß EN 573-3) ist wie folgt:
- Aluminiumlegierung gemäß EN AW 1050A:
- Aluminum alloy according to EN AW 1050A:
Eine typische chemische Zusammensetzung der Legierung EN AW 1050A ist:
Eine typische chemische Zusammensetzung der Legierung EN AW 1070A ist:
Eine typische chemische Zusammensetzung der Legierung EN AW 3102 ist:
Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Butzen besteht ein durchschnittlicher Materialfluss aus Stanzgitter, Getränkedosenschrott, Offset-Blechen und anderen Schrottarten, wobei das Stanzgitter nach dem Stanzprozess dem Ofen bei der Beschickung ("Chargierung") wieder zugeführt wird. Besonders vorteilhaft ist, dass durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eine Aluminiumlegierung hergestellt werden kann, welche aus bis zu 100 % Kreislaufmaterial besteht (siehe Fig. 2).In the process according to the invention for producing slugs, an average material flow consists of stamped skeleton, scrap beverage cans, offset sheet metal and other types of scrap, with the stamped skeleton being returned to the furnace during charging ("charging") after the stamping process. It is particularly advantageous that the production method according to the invention can be used to produce an aluminum alloy which consists of up to 100% recycled material (see FIG. 2).
In einem Materialfluss der ersten Ausführungsform ("RAW-C-I") werden gemischte, alte Getränkedosen (gemäß EN 13920-10) und gemischter Stanzgitterschrott aus EN AW 1050A und 1070A (gemäß EN 13920-2) als Kreislaufmaterialien zugeführt.In a material flow of the first embodiment ("RAW-C-I"), mixed, old beverage cans (according to EN 13920-10) and mixed stamped scrap from EN AW 1050A and 1070A (according to EN 13920-2) are supplied as circulating materials.
In einem Materialfluss der zweiten Ausführungsform ("RAW-C-II") werden gemischte, alte Getränkedosen (gemäß EN 13920-10), Off-Set-Bleche (gemäß EN 13920-2), Draht-und Kabelschrott (gemäß EN 13920-3), und gemischter Stanzgitterschrott aus EN AW 1050A und 1070A (gemäß EN 13920-2) als Kreislaufmaterialien zugeführt.In a material flow of the second embodiment ("RAW-C-II"), mixed, old beverage cans (according to EN 13920-10), offset sheet metal (according to EN 13920-2), wire and cable scrap (according to EN 13920- 3), and mixed lead frame scrap from EN AW 1050A and 1070A (according to EN 13920-2) fed in as circulating materials.
Die chemische Zusammensetzung der Legierung, die durch diesen Materialfluss gemäß der ersten Ausführungsform erzeugt wird, befindet sich außerhalb der Zusammensetzung gemäß der Norm EN 573-3.The chemical composition of the alloy produced by this material flow according to the first embodiment is outside the composition according to the EN 573-3 standard.
Die chemische Zusammensetzung einer Legierung resultierend aus dem Materialfluss der ersten Ausführungsform ("RAW-C-I") ist wie folgt (ermittelt durch optische Emissionsspektroskopie bzw. mittels eines Funkenspektrometers):
Die chemische Zusammensetzung einer Legierung resultierend aus dem Materialfluss der zweiten Ausführungsform ("RAW-C-II") ist wie folgt (ermittelt durch optische Emissionsspektroskopie):
Tabelle 2 zeigt die mechanischen Eigenschaften von Butzen, die aus den vorstehend genannten Ausgangsmaterialien unter gleichen Bedingungen hergestellt wurden.
Die in der Tabelle 2 gezeigten Ergebnisse verdeutlichen, dass die Härte der Butzen im weichgeglühten Zustand im Falle der Chargen der ersten Ausführungsform (RAW-C-I) im Vergleich zu EN AW 1050A um 23 bzw. 35 %, im Vergleich zu EN AW 10170A um 35 bzw. 50 % höher, und im Vergleich zu EN AW 3102 um 17 bzw. 23 % höher liegt. Außerdem ist die Streckfestigkeit der RAW-C-I Legierung um mindestens 10 MPa bzw. 19 % höher und die Dehnfestigkeit um mindestens 23 MPa bzw. 31 % höher als bei den typischen Werten der Basislegierungen.The results shown in Table 2 show that the hardness of the slugs in the annealed condition in the case of the first embodiment heats (RAW-CI) compared to EN AW 1050A decreased by 23% and 35% respectively compared to EN AW 10170A 35% and 50% higher, respectively, and compared to EN AW 3102 is 17% and 23% higher, respectively. In addition, the yield strength of the RAW-CI alloy is at least 10 MPa or 19% higher and the yield strength at least 23 MPa or 31% higher than the typical values of the base alloys.
Ferner zeigen die Ergebnisse von Tabelle 2, dass die Härte der Butzen im weichgeglühten Zustand im Falle der Chargen der zweiten Ausführungsform (RAW-C-II) im Vergleich zu EN AW 1050A um 59 bzw. 75 %, im Vergleich zu EN AW 1070A um 75 bzw. 94 % höher, und im Vergleich zu EN AW 3102 um 52 bzw. 59 % höher liegt. Außerdem ist die Streckfestigkeit der RAW-C-II Legierung um mindestens 15 MPa bzw. 29 % höher und die Dehnfestigkeit um mindestens 31 MPa bzw. 41 % höher als bei den typischen Werten der Basislegierungen.Furthermore, the results of Table 2 show that the hardness of the slugs in the annealed condition in the case of the heats of the second embodiment (RAW-C-II) compared to EN AW 1050A by 59 and 75% respectively, compared to EN AW 1070A 75 and 94% higher, and compared to EN AW 3102 is 52 and 59% higher. In addition, the yield strength of the RAW-C-II alloy is at least 15 MPa or 29% higher and the yield strength at least 31 MPa or 41% higher than the typical values of the base alloys.
Aufgrund der höheren Festigkeit und den damit zusammenhängenden höheren Widerstand gegen den Innendruck können die Wanddicken der Dosen durch die Legierungen der vorliegenden Erfindung verringert werden. Eine geringere Wanddicke bringt den Vorteil der Gewichtseinsparung, was zu einer CO2-Reduktion beim Transport führt. Bereits bei der Herstellung des Vormaterials wird durch einen verringerten Materialeinsatz weniger CO2 ausgestoßen, was ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die Umweltbelastung ist.Due to the higher strength and associated higher resistance to internal pressure, the wall thicknesses of cans can be reduced by the alloys of the present invention. A lower wall thickness brings the advantage of weight savings, which leads to a reduction in CO 2 during transport. Less CO 2 is already emitted during the production of the primary material due to a reduced use of material, which is a further significant advantage of the present invention with regard to environmental pollution.
Die erhöhte Festigkeit RAW-C-Legierungen ist auf den höheren Gehalt an Mn zurückzuführen, welches rekristallisationshemmend wirkt. Da der Gehalt des festigkeitssteigernden Legierungselements Mn in alten Getränkedosen 0,8 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% ist, weisen die erfindungsgemäßen einen höheren Mn-Gehalt als Legierungen der Normen EN AW 1050 und EN AW 1070, und sogar teilweise einen höheren Mn-Gehalt als die Legierung EN AW 3102 auf, welche einen Mn-Gehalt von ca. 0,3 Gew.-% aufweist.)The increased strength of RAW-C alloys is due to the higher Mn content, which has a recrystallization-inhibiting effect. Since the content of the strength-enhancing alloying element Mn in old beverage cans is 0.8 wt% to 1.0 wt%, those according to the invention have a higher Mn content than alloys of standards EN AW 1050 and EN AW 1070, and even partially has a higher Mn content than the EN AW 3102 alloy, which has a Mn content of approx. 0.3% by weight.)
Die chemische Zusammensetzung ergibt sich aus den Anteilen von verschiedenen Kreislaufmaterialarten und deren chemischen Zusammensetzung. Die Verfügbarkeit eines Kreislaufmaterials hängt von der Produktionsmenge, der Nutzungsdauer, und der Rückführungsrate im Materialkreislauf ab.The chemical composition results from the proportions of different types of cycle material and their chemical composition. The availability of a recycle material depends on the production volume, the useful life, and the return rate in the material cycle.
Die mechanischen Eigenschaften der Legierung wie Umformbarkeit hängen in erster Linie von der chemischen Zusammensetzung ab. Die Grenzen einzelner Legierungselemente sind so gewählt, dass entsprechend den Anforderungen an mechanischen Eigenschaften eine für die jeweilige Anwendung passende Zusammensetzung ausgesucht werden kann.The mechanical properties of the alloy, such as formability, depend primarily on the chemical composition. The limits of individual alloying elements are selected in such a way that a composition suitable for the respective application can be selected in accordance with the requirements for mechanical properties.
Allgemein weist eine Legierung der vorliegenden Erfindung die chemische Zusammensetzung auf:
Im Allgemeinen weist eine Legierung der ersten Ausführungsform ("RAW-C25") eine Härte nach dem Weichglühvorgang von 24+3 HB und die folgende Zusammensetzung auf:
Ein spezifisches Beispiel einer Legierung der ersten Ausführungsform ("RAW-C25") weist die folgende Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien auf:
- 75 % Masseln (P1020A gemäß DIN EN 576) mit der Zusammensetzung:
- 25 % Getränkedosenschrott mit der Zusammensetzung:
- 75% ingots (P1020A according to DIN EN 576) with the composition:
- 25% beverage can scrap with the composition:
Die aus dieser spezifischen Zusammensetzung resultierende Legierung der ersten Ausführungsform ("RAW-C25") weist die folgende Zusammensetzung auf (ermittelt durch optische Emissionsspektroskopie):
Im Allgemeinen weist eine Legierung der zweiten Ausführungsform ("RAW-C50") eine Härte von 28+2 HB und folgende Zusammensetzung auf:
Ein spezifisches Beispiel einer Legierung der zweiten Ausführungsform ("RAW-C50") weist die folgende Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien auf:
- 50 % Masseln (P1020A gemäß DIN EN 576) mit der Zusammensetzung:
- 15% Off-Set-Bleche mit der Zusammensetzung
- 50% ingots (P1020A according to DIN EN 576) with the composition:
- 15% off-set sheets with the composition
Die aus dieser spezifischen Zusammensetzung resultierende Legierung der zweiten Ausführungsform ("RAW-C50") weist die folgende Zusammensetzung auf (ermittelt durch optische Emissionsspektroskopie):
Im Allgemeinen weist eine Legierung der dritten Ausführungsform ("RAW-C95") eine Härte von 32+4 HB und folgende Zusammensetzung auf:
Ein spezifisches Beispiel einer Legierung der dritten Ausführungsform ("RAW-C95") weist die folgende Zusammensetzung der Ausgangsmaterialien auf (Zusammensetzung: 95% Kreislaufmaterial und 5% Primärmetall):
- 5 % Masseln (P1020A gemäß DIN EN 576) mit der Zusammensetzung:
- 10 % Drahtschrott mit der Zusammensetzung:
- 5% ingots (P1020A according to DIN EN 576) with the composition:
- 10% wire scrap with the composition:
Die aus dieser spezifischen Zusammensetzung resultierende Legierung der dritten Ausführungsform ("RAW-C95") weist die folgende Zusammensetzung auf (ermittelt durch optische Emissionsspektroskopie):
Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann durch den Einsatz in unterschiedlichen Mengenverhältnissen bis zu 100% von verschiedenen Kreislaufmaterialarten bzw. Verwertungsabfällen (siehe § 1 Kreislaufwirtschaftsgesetz), welche auf dem Markt zur Zeit ausreichend verfügbar sind, zwangsläufig anfallen oder eine kurze Nutzungsdauer haben, ein wichtiger Beitrag zur Nachhaltigkeit geleistet werden.With the method of the present invention, up to 100% of different types of cycle material or recycling waste (see § 1 Recycling Management Act), which are currently sufficiently available on the market, can inevitably occur or have a short useful life, an important one, by using different proportions contribution to sustainability can be made.
Die Legierungen der vorliegenden Erfindung bieten den Vorteil einer höheren Festigkeit im Vergleich zum Stand der Technik. Aufgrund der Möglichkeit von geringen Wanddicken bzw. höheren möglichen Innendrücken bei gleicher Wanddicke und dem damit verbundenen geringeren Materialeinsatz können erhebliche Einsparungen bei der Herstellung und schließlich in den Endprodukten erreicht werden.The alloys of the present invention offer the advantage of higher strength compared to the prior art. Due to the possibility of low wall thicknesses or higher possible internal pressures with the same wall thickness and the associated lower use of materials, considerable savings can be achieved in production and ultimately in the end products.
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Horst Häusler, "Die Aluminiumindustrie - prägende industrielle Kraft der Gemeinde Wutöschingen" in "Wutöschingen - einst und heute", Ortsverwaltung Wutöschingen, 2006, Seite 235, Anmerkung 6 Horst Häusler, "The aluminum industry - formative industrial power of the municipality of Wutöschingen" in "Wutöschingen - then and now", local administration Wutöschingen, 2006, page 235, note 6 - Literatur-2:Literature-2:
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